Термическая обработка железоуглеродистых сплавов: способы, механизмы и структуры

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

Шестерни, которые обязаны противостоять износу, пружины, рассчитанные на многократный изгиб без разрушения, режущий инструмент, сохраняющий остроту под нагрузкой, — за каждым из этих изделий стоит управляемый цикл нагрева и охлаждения. Один и тот же сплав может оказаться мягким и хорошо обрабатываемым или твёрдым и хрупким — всё определяется температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения. Ниже разобрано, что такое железоуглеродистые сплавы, как их классифицируют, какими методами термической обработки пользуются инженеры и что происходит внутри металла на каждом этапе.

Как классифицируют железоуглеродистые сплавы?

Эти сплавы образуют основу конструкционных материалов, а их физико-механические свойства делят их на два больших семейства.

1. Стали. Сталь — это сплав железа и углерода, содержание которого не превышает 2,14 %. Углеродистая сталь представляет собой ковкий, деформируемый и прочный конструкционный материал: предел прочности достигает 1150 МПа, твёрдость — 285, относительное удлинение — до 32 %. Стали хорошо поддаются обработке давлением, резанием и сварке.
2. Чугун. Чугун — это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14 до 6,67 %. Его свойства меняются в зависимости от структуры: зернистая структура, например, обеспечивает высокую обрабатываемость, твёрдость и прочность.

Какие основные методы термической обработки применяют?

Весь арсенал термической обработки железоуглеродистых сплавов строится на четырёх базовых операциях, каждая из которых преследует свою цель:

• отжиг;
• нормализация;
• закалка;
• отпуск.

Разберём каждую по порядку, начав с самой многообразной — отжига.

Какие виды отжига существуют?

Отжиг — не единственная процедура, а целая группа операций. В зависимости от температурного режима и цели различают полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и изотермический отжиг.

Полный и неполный отжиг

Полный отжиг подразумевает нагрев сплава на 30–50 °C выше критической точки превращения стали в аустенит с последующим охлаждением до 500–600 °C, при котором формируются феррит и перлит. Скорость охлаждения невысока — 50–100 градусов в час.

Неполный отжиг предполагает работу в более узком диапазоне: сплав нагревают до температуры между верхней и нижней критическими точками, а затем охлаждают.

Изотермический отжиг

Для легированных сталей применяют изотермический отжиг. Металл нагревают выше верхней критической точки избыточного аустенита, выдерживают, охлаждают ниже критической точки и снова выдерживают — достаточно долго, чтобы аустенит полностью превратился в перлит.

Диффузионный отжиг

Диффузионный отжиг предполагает нагрев сплава существенно выше соответствующих критических точек и длительную выдержку. Применяется прежде всего для литого материала и позволяет получить равновесную структуру, выровняв свойства по всему объёму заготовки, — особенно заметно улучшаются механические характеристики в поперечном направлении.

Процесс развивается через последовательность внутренних изменений:

1. выравнивание до равновесного химического состава;
2. растворение избыточных фаз;
3. выделение фазы из пересыщенного твёрдого раствора;
4. рост зёрен;
5. образование и рост пор.

При высокотемпературном отжиге металл нагревают до значения, лежащего между температурами стабильного и метастабильного солидуса, — часть сплава при этом расплавляется. Если объём легкоплавких фаз не превышает 1 %, образовавшаяся жидкость не влияет на свойства сплава и со временем рассасывается.

Рекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг поднимает температуру сплава примерно на 200 градусов выше температуры рекристаллизации, выдерживает его и затем охлаждает. Результат — снятие наклёпа: свойства сплава возвращаются к равновесному состоянию.

Чем нормализация отличается от отжига?

Нормализация — это разновидность отжига с фазовой перекристаллизацией, и отличает её именно скорость охлаждения. Сплав сначала нагревают на 30–50 градусов выше критической температуры, а затем охлаждают на открытом воздухе, а не в медленном управляемом режиме.

Ускоренное охлаждение переохлаждает аустенит и измельчает ферритоцементитную смесь, в результате чего формируется структура, известная как сорбит закалки.

Что происходит при закалке и отпуске?

Цель закалки — получить максимально твёрдую структуру — мартенсит.

Свежезакалённый мартенсит обладает высочайшей твёрдостью, однако хрупок, поэтому в таком виде его оставляют редко. Следующий шаг — отпуск — целенаправленно снижает твёрдость мартенсита и повышает пластичность, приводя металл к нужному балансу свойств.

Здесь есть тонкое, но важное преимущество. При равной твёрдости структуры, полученные отпуском мартенсита, демонстрируют лучшие механические свойства, чем структуры, образовавшиеся при распаде аустенита. Именно поэтому связка «закалка + отпуск» так широко применяется для ответственных деталей.

Почему важно понимать итоговые микроструктуры?

Каждый метод термической обработки — это, по существу, способ направить сплав к определённой внутренней структуре, а каждая структура несёт своё сочетание свойств.

• Аустенит — высокотемпературная фаза, служащая отправной точкой большинства превращений.
• Феррит и перлит — мягкие равновесные составляющие, возникающие при медленном охлаждении в ходе полного отжига.
• Сорбит — мелкодисперсная ферритоцементитная смесь, формирующаяся при более быстром воздушном охлаждении в ходе нормализации.
• Мартенсит — твёрдая пересыщенная структура, ради которой и проводят закалку.

Понимание этой цепочки — от содержания углерода через выбранный тепловой цикл к итоговой микроструктуре — позволяет инженеру назначить режим обработки, соответствующий реальным условиям работы детали: будь то максимальная твёрдость, высокая вязкость или осознанный компромисс между ними.